基于FPGA控制的動(dòng)態(tài)背光源設(shè)計(jì)方案

引言

當(dāng)代LCD 顯示大部分采用的是冷陰極射線熒光燈（CCFL）背光或LED 靜態(tài)背光，由于CCFL 亮度不易控制并且響應(yīng)速度慢，造成能源浪費(fèi)和動(dòng)態(tài)模糊。LED 靜態(tài)背光效果雖好，但是其耗能也較為嚴(yán)重，另外恒定亮度的背光使得圖像的對(duì)比度下降，顯示效果不理想。對(duì)圖像RGB 像素進(jìn)行分析，在某些區(qū)域適當(dāng)?shù)夭捎玫鸵患?jí)亮度的LED 背光，不僅可以節(jié)能，而且會(huì)擴(kuò)大圖像顯示的對(duì)比度，消除動(dòng)態(tài)模糊現(xiàn)象。

　　1 設(shè)計(jì)方案及其原理

動(dòng)態(tài)背光源表面上是個(gè)整體，其實(shí)內(nèi)部在制作原理圖時(shí)已經(jīng)將之分成多個(gè)區(qū)域，分別控制其各自的亮度?？芍彻鉄舻拿芗仍礁?，劃分的區(qū)域越多、面積越小，顯示出來(lái)的整體效果會(huì)越好。但是從成本、經(jīng)濟(jì)價(jià)值、制作工藝、節(jié)能等方面綜合考慮，可知燈的數(shù)目不可能無(wú)限多，劃分的區(qū)域也不會(huì)無(wú)限密集，但是總可以找到一個(gè)最合適的設(shè)計(jì)規(guī)格。

RGB 色彩模型是工業(yè)界的一種顏色標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)RGB 模型為圖像中每一個(gè)像素的RGB 分量分配一個(gè)0～255 范圍內(nèi)的強(qiáng)度值。RGB 圖像只使用三種顏色，按照不同的比例混合， 理論上在屏幕上呈現(xiàn)16,777,216 種顏色。在本系統(tǒng)只有RGB 各個(gè)分量不能直接得到我們需要的亮度控制參數(shù)Ki，需要經(jīng)過(guò)FPGA運(yùn)算得到圖像各個(gè)像素的灰度值，然后再計(jì)算。

對(duì)圖像進(jìn)行灰度計(jì)算的基本思想是將每個(gè)像素的RGB 三種顏色成份的值取平均，然而由于人眼的敏感性，這種做法效果并不好，應(yīng)該是每個(gè)分量需有一定的權(quán)重，計(jì)算公式如下所示。

（1）為灰度計(jì)算公式，可直接由RGB 各個(gè)分量計(jì)算得到像素的灰度值，當(dāng)然可以整體的放大或縮小，即乘以一個(gè)共同的系數(shù)。

（2）為由像素灰度求亮度公式，其中Tmax 為最大透過(guò)率，在同一個(gè)系統(tǒng)中為一固定值，可不予關(guān)注，γ 為RGB 像素矯正因子，B 為背光源亮度值。

　　當(dāng)背光源的亮度變?yōu)樵瓉?lái)的1/λ即B' 時(shí)，為了使人眼觀察灰度C' 像素的亮度不發(fā)生大的變化，應(yīng)使兩次得到的值一致，即：

令：

解方程可以求得：

一般情況下，灰度的調(diào)節(jié)由8bit 數(shù)據(jù)控制，即可以將灰度值由0～255，分成256 份，其中每一份代表一個(gè)灰度級(jí)別（本實(shí)驗(yàn)中所使用驅(qū)動(dòng)芯片的灰度級(jí)別為4,096）。所以可以令控光參數(shù)Ki：

其中Cmax 為各個(gè)分割區(qū)域中的最大灰度值，Ci為各個(gè)相應(yīng)區(qū)域的最大灰度值，計(jì)算得到的區(qū)域控光參數(shù)Ki 來(lái)調(diào)節(jié)FPGA 的輸出，來(lái)調(diào)節(jié)背光板亮度，從而可以得到校正后各個(gè)像素的RGB 值分別為：

如方案圖所示，最后將由控制器輸出的行、場(chǎng)同步信號(hào)和校正后的RGB 信號(hào)等傳輸給LCD 板。

方案中SDRAM 的主要作用有兩個(gè)：一是在FPGA 處理不及時(shí)的情況下，用來(lái)存儲(chǔ)從圖形控制器傳過(guò)來(lái)的行、場(chǎng)同步信息和RGB 數(shù)據(jù)信息等；二是存儲(chǔ)FPGA 處理過(guò)的數(shù)據(jù)，單LCD 板未來(lái)得及處理的信息。這樣設(shè)計(jì)的目的在于達(dá)到數(shù)據(jù)不丟失，信息傳輸更及時(shí)的效果。

2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

在驅(qū)動(dòng)芯片的選擇上， 我們用TI 公司的TLC5947，每個(gè)通道由12bits PWM 脈寬調(diào)制，具有24 路輸出通道，所以一個(gè)數(shù)據(jù)傳遞周期將會(huì)接收288bits 數(shù)據(jù)。芯片所需電壓為3.0～5.5V，有溫控系統(tǒng)，當(dāng)芯片的溫度過(guò)高時(shí)會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)，以保護(hù)芯片。

從芯片的引腳25 可以看出，此款芯片支持級(jí)聯(lián)，可以多個(gè)芯片共同工作以驅(qū)動(dòng)更大規(guī)模的顯示屏幕。從引腳1 到引腳24，每個(gè)輸出通道由12bit輸入數(shù)據(jù)來(lái)控制，其內(nèi)部含有4MHz 的晶振，輸入數(shù)據(jù)與212 即4,096 的比值即為輸出脈沖的占空比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)背光源相應(yīng)區(qū)域的PWM 調(diào)制。從中可知，TLC5947 將灰度分為4,096 級(jí)，我們可以大尺度、精密地細(xì)分背光源的亮度，以達(dá)到更好動(dòng)態(tài)背光效果。

圖2 TLC5947 引腳注釋

驅(qū)動(dòng)電路中的電阻由所驅(qū)動(dòng)LED 燈的電流決定，具體詳情可以參考TLC5947 配置表格（如表1所示）。芯片對(duì)輸入的SCLK、XLAT、BLANK 等信號(hào)有嚴(yán)格的時(shí)序要求，電源與地之間的電容主要起到一個(gè)濾波作用，盡量值選大些。

表1 配置電阻與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系

圖3 背光源驅(qū)動(dòng)電路

3 軟件設(shè)計(jì)

本款芯片的控制信號(hào)由Altera 公司的型號(hào)為EP1C3T144C8 的開(kāi)發(fā)板供給，晶振為50MHz。

從實(shí)驗(yàn)得到的效果來(lái)看，該款芯片的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)理為：每個(gè)傳輸周期，每遇SCLK 上升沿將會(huì)從SIN 口讀入1bit 數(shù)據(jù)存入寄存器，在SCLK 下降沿時(shí)，將讀入的數(shù)據(jù)從SOUT 傳出（內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)仍有保留） 輸給下一級(jí)，直至讀入288bits 數(shù)據(jù)。每12bits 為一組，分別送到各自的通道，并且每組數(shù)據(jù)先讀入的居于較高位，然后依次排列。例如，讀取的數(shù)據(jù)按時(shí)間先后排列為1、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0，則相應(yīng)的控制信號(hào)為100000000000，那么控制通道的占空比即為：

根據(jù)PWM 調(diào)制面積相等的原則，有效電壓約為提供電壓的一半。

按照仿真條件的要求，SCLK 時(shí)鐘信號(hào)需要在每接收完288bits 時(shí)有段時(shí)間的低電平，盡量滿(mǎn)足芯片的時(shí)序要求。另外，控制信號(hào)BLANK 在每個(gè)周期空閑時(shí)（不傳輸數(shù)據(jù)時(shí)），需要有個(gè)高電平變換，這樣可以將鎖存器里面的數(shù)據(jù)清零，以便接受新一輪的控制數(shù)據(jù)，否則，燈的亮度明顯會(huì)偏暗。

RGB 數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)FPGA 的處理，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的灰度值，然后再計(jì)算出相應(yīng)的控光參數(shù)Ki （我們可以分的灰度級(jí)別不超過(guò)4,096），傳輸給TLC5947的SIN，即可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)背光調(diào)節(jié)。

圖4 輸入輸出信號(hào)設(shè)置

圖5 信號(hào)仿真圖

圖6 PWM 調(diào)制輸出波形

　　4 結(jié)論

通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，動(dòng)態(tài)背光調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)在節(jié)能和提高圖像顯示對(duì)比度等方面做得都較好，這在重視節(jié)能減排、建設(shè)和諧社會(huì)的今天以及對(duì)LCD 顯示器的未來(lái)發(fā)展都具有很好的應(yīng)用前景。

圖7 即通過(guò)FPGA 控制以及基于圖像像素控制得到的動(dòng)態(tài)背光調(diào)節(jié)效果圖，從中可以看到，如果在以前LCD 靜態(tài)背光的條件下，則所有背光LED 燈的亮度將會(huì)和最亮的（右下角）一致，而現(xiàn)在我們將之分割為各個(gè)不同區(qū)域，使得每個(gè)區(qū)域均有自己的最佳亮度，而不必以整個(gè)圖像最亮一點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)，并且不影響顯示效果。這樣，也就實(shí)現(xiàn)了我們預(yù)期的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的目的。

圖7 背光源效果圖